1.4 結構材料和耐久性設計
1.4.1 鋼材
1.4.1.1 概述
a 基本概念
修建橋梁的鋼材包括用於鋼結構的鋼材、用於鋼筋混凝土及預應力混凝土結構的鋼筋以及斜拉橋拉索和懸索橋纜索。鋼結構是以鋼板和型鋼作為基本構件。
b 連線方式
在製造和組裝過程中，根據工藝的不同需要鉚釘、焊條或螺栓等方法，組成乙個完整的結構，來承擔荷載。因此，用於鋼結構的鋼材又可分為結構鋼材和連線材料。
c 應用
結構鋼材用量最多的是鋼板，中小跨徑的鋼橋則較多地採用型材；
（1）鋼筋混凝土和預應力混凝土結構中主要用到普通鋼筋和預應力鋼筋等線材。
（2）對於斜拉橋拉索和懸索橋的纜索則需用高強鋼絲或鋼絞線等線材。
1.4.1.2 結構鋼材
a 結構鋼材的效能要求
既要經過許多機械加工工藝和焊接工藝要能適應製造工藝要求：又要在承受很大的靜、動力荷載與衝擊荷載時滿足使用要求。
（1）強度
1 強度指標
鋼的強度表示鋼的塑性變形和對破壞的抵抗能力。鋼的強度有三個指標，第乙個指標是彈性極限（或比例極限），第二個指標是屈服強度（或屈服點），第三個指標是極限強度。
2 試驗手段
鋼材強度等力學效能主要通過單向拉伸試驗來確定。
3 試驗結果（圖1-4-1）
有明顯流幅的應力應變曲線。如低碳鋼。屈服強度與抗拉極限強度的比值（稱為屈強比）代表材料的強度儲備，一般屈強比要求不大於0.8左右（圖1-4-1a）。
沒有明顯流幅的應力應變曲線。如高碳鋼。其比例極限大約相當於極限強度的65％，在實際工程中都協定地取殘餘應變為0.
2％時的相應應力作為假定的屈服強度σ0.2（又稱條件屈服強度）。（圖1-4-1b）
圖1-4-1 鋼材拉伸應力應變曲線
（2）塑性
① 伸長率
又稱延伸率，用表示（標註為10倍或5倍鋼筋直徑）：
（1-4-1）
伸長率：
② 冷彎效能
鋼材在冷加工過程中產生塑性變形時，對產生裂縫的抵抗能力。通過冷彎試驗（彎心直徑和冷彎角度），檢查試件表面是否有裂紋或分層斷裂來反映塑性。
（3）韌性
① 基本概念
韌性鋼材的韌性表徵鋼材破壞前所能吸收的能量大小。
疲勞壽命
在結構上出現可以看得見的裂紋前能承受荷載迴圈作用的次數，稱為結構或材料的疲勞壽命。
脆性破壞
② 鋼材的韌性要求
在選用造橋鋼材時還要特別重視它的韌性，韌性會影響鋼橋的抗疲勞效能和抗脆斷效能。
鋼材的脆性斷裂也與其韌性有關。常用低溫衝擊韌性來判斷鋼材的脆性斷裂傾向。
（4） 可焊性
鋼橋所用的鋼材，必須具有良好的可焊性。可焊性是材料通過一定的工藝條件進行焊接而能形成優質連線接頭的效能。優質接頭的評定標準是其各項力學效能指標不低於母材。
1 焊接方法
焊接方法有埋弧自動焊、手工焊和半自動焊，大跨度鋼橋部件都很大，焊後一般不再進行熱處理。
2 焊接接頭組成
焊接接頭分為兩部分：一是焊縫金屬；二是在焊縫周圍鋼材受熱影響的區域。
3 焊接接頭的要求
焊接接頭要求受力平順、剛度大、又能節約鋼材和縮短工期。
4 影響焊縫金屬效能的因素
主要包括鋼材、焊絲、焊條、焊條塗料和焊劑的化學成分以及施焊有關的工藝引數。影響焊縫周邊金屬熱影響區力學效能的因素，主要是鋼材的成分和力學效能以及焊後溫度冷卻的快慢等。
b 結構鋼材的發展
目前，我國已開展高效能鋼材的研究和開發，國際上現已開發並已實際採用的高效能鋼材有高強度鋼、高效焊接用鋼、耐大氣腐蝕鋼、耐震用鋼等幾種。
（1）高強度鋼
造橋中使用更高強度的鋼材，可減薄鋼板厚度以減輕結構重量，從而獲得大跨度並改善作業效能。我國2023年建成的九江長江大橋（跨徑180m+216m+180m桁拱組合體系公鐵兩用橋）也用到了600mpa級的高強鋼。
（2）高效焊接用鋼
高效焊接用鋼可以提高焊接效率。減少預熱型鋼板可以降低預熱溫度或省略預熱工序。大熱輸入焊接用鋼板焊接時緩和對輸入熱量的限制，可進行大熱量焊接，使鋼板即便在大熱輸入焊接時，也能確保焊接部位的高品質。
（3）耐大氣腐蝕鋼
近年來，為減少鋼橋的維護工作量，促進了不塗漆的耐大氣腐蝕鋼的應用。我國研製的內含銅、鉻、鈮等合金成分的nh35q鋼，就是一種耐大氣腐蝕鋼，其屈服強度可達343mpa。
（4）耐震用鋼
在橋梁領域，提高橋腳的耐震性受到高度重視，用超低碳鋼（超低碳鋼中碳當量僅為0.04％，甚至更低，達到0.002％）作成用於橋腳部件的減震器，其塑性變形吸收了**輸入能量，可提高橋腳的耐震性和安全性。
1.4.2 鋼筋
1.4.2.1 鋼筋的分類和效能要求
a 鋼筋的分類
（1）按照混凝土結構中所用的材料劃分。
用於混凝土結構中的鋼筋包括普通鋼筋和預應力筋，鋼筋就其鋼材的化學成分而言也是由普通碳素鋼、低合金鋼製成的。
1. 普通鋼筋
2. 預應力鋼筋應選用鋼絞線和鋼絲，中小型構件或豎、橫向鋼筋也可選用精軋螺紋鋼筋
（2）按化學成分分類
低碳鋼（含碳量在0.25%以下）
碳素鋼中碳鋼（含碳量在0.25%~0.6%）
高碳鋼（含碳量大於0.6%)
普通低合金鋼——加入少量低合金元素,強度、塑性均提高
比如：20mnsi,20mnsiv）
20mnsi2v
（3） 按加工方法分類
1 熱軋鋼筋
2 熱處理鋼筋
冷拉鋼筋
3 冷加工鋼筋冷軋帶肋鋼筋
冷軋扭鋼筋
由於冷拉鋼筋延性較差，目前較少使用，若在工程中採用時，應遵守專門規程的規定
（4）按力學效能不同分類
1 軟鋼：有明顯屈服台階的鋼筋(熱軋鋼筋、冷拉鋼筋)
2 硬鋼：無明顯屈服台階的鋼筋(高強碳素鋼絲、鋼絞線)
b 鋼筋的效能要求
在工程中，一般以鋼筋的機械效能作為鋼筋質量檢驗的主要標準。鋼筋混凝土和預應力混凝土結構對鋼筋效能的要求主要在強度、塑性、韌性、可焊性和鋼筋與混凝土的握裹力等幾個方面，前四項與結構鋼材類同，鋼筋與混凝土的粘結性能可以通過鋼筋的表面形狀和一定的構造措施來改進。
1.4.2.2 普通鋼筋
可選取r235、hrb335、 hrb400、kl400熱軋鋼筋
1.4.2.3 預應力筋
目前橋梁上常用的預應力材料為高強鋼絲、鋼絞線和高強鋼筋三大類。
（1）高強鋼絲
常用的消除應力光圓鋼絲的重要技術指標見表1-4-1。設計時，高強鋼絲的張拉控制應力一般取標準強度的0.75倍，彈性模量取2.05×105mpa。
消除應力光面鋼絲的力學效能表1-4-1
注：本表摘自國家標準《預應力混凝土用鋼絲》gb/t5223－1995。
（2）鋼絞線
鋼絞線是由多根高強鋼絲以一根稍粗的鋼絲為軸心，沿同一方向扭繞製作，並經低溫回火處理而成。鋼絞線材料的主導產品是符合美國astm標準的1860mpa級的高強低鬆弛鋼絞線，直徑一般為15.24mm，少量為12.
70mm。目前，2000mpa級超高強度低鬆弛鋼絞線已應用橋梁工程中。最為常用的2000mpa級與1860mpa級鋼絞線的重要技術指標見表1-4-2。
2000mpa級與1860mpa級鋼絞線的力學效能表1-4-2
設計時，鋼絞線的張拉控制應力一般取標準強度的0.75倍，彈性模量取值為1.95×105mpa。
（3）高強鋼筋
高強鋼筋又可分為冷拉熱軋鋼筋、熱處理鋼筋和精軋螺紋鋼筋三類。
1 冷拉鋼筋是經過冷拉後提高了抗拉強度的熱軋低合金鋼筋。
2 熱處理鋼筋是由ⅳ級低合金鋼經過調質熱處理提高鋼筋抗拉強度，然後經過中低溫回火處理，改善其塑性效能。
3 精軋螺紋鋼筋採用熱軋方法生產，無縱肋、在端部可用螺紋套管接長。精軋螺紋鋼筋的機械效能見表1-4-3。
精軋螺紋鋼筋的機械效能表1-4-3
注：1. 表中d為鋼筋直徑。
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